КАТОДНЫЙ УЗЕЛ Российский патент 1999 года по МПК H01J37/77 

Предлагаемое изобретение относится к области сильноточных вакуумных электродуговых устройств и может быть использовано, в частности, для катодов электроракетных двигателей или катодов печей плазменного переплава металлов.

Известны катодные узлы вакуумных электродуговых устройств, содержащие корпус, в котором размещен полостной термоэмиссионный катод, полости которого сообщены с внешним источником плазмообразующего вещества. Эмиттер таких катодов выполнен в виде трубки, внутренняя поверхность которой образует полость, в которой проходит катодный процесс. (См., например, книгу С.Д. Гришина, Л.В. Лескова "Электрические ракетные двигатели космических аппаратов", М., Машиностроение, 1989 г., стр.87).

Недостатком таких катодов является их плохая экономичность по использованию плазмообразующего газа.

Известны также катодные узлы вакуумных электродуговых устройств, содержащие корпус, в котором размещена пластина с отверстием (диафрагма) и установленный с зазором относительно нее эмиттер в виде пластины, образующие полость, в которой реализуется катодный процесс. (См. кн. Гришина С.Д., стр. 87. ). Такие катоды позволяют получить высокие плотности тока в выходном отверстии диафрагмы и снизить расход плазмообразующего газа на единицу снимаемого тока.

К недостаткам таких катодов следует отнести интенсивный износ в отверстии диафрагмы и необходимость установки стартового омического нагревателя.

Такие катоды часто снабжаются дополнительным электродом, размещенным снаружи, вне полости катода для стартового пробоя и зажигания вспомогательного разряда после прогрева катода стартовым омическим нагревателем.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является катодный узел вакуумных электродуговых устройств, содержащие корпус, в котором размещен полостной термоэмиссионный катод, полость которого сообщена с источником плазмообразующего вещества, и дополнительный электрод, размещенный внутри корпуса и электрически изолированный от него (например, патент N 2031472, по кл. H 01 J 37/077 за 1992 г.) Преимуществом таких катодов является возможность разогрева их тлеющим разрядом без использования омического нагревателя.

К недостаткам такого катода следует отнести повышенный расход рабочего вещества и износ эмиттирующих поверхностей катода вследствие уноса продуктов испарения этих поверхностей с потоком рабочего вещества через полость.

Техническим результатом заявленного изобретения является снижение расхода рабочего вещества через катод и повышение ресурса катода вследствие снижения уноса материала катода из полости при его испарении, а также повышение надежности зажигания разряда в полости.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с прототипом термоэмиссионный катод выполнен в виде пакета пластин с соосными отверстиями, установленных с зазором друг относительно друга при помощи расположенных между ними дистанционирующих пластин с соосными отверстиями большего размера, при этом пластины образуют полости, с поверхностей которых осуществляется эмиссия электронов.

Предусмотрены варианты выполнения узла, в котором дополнительный электрод выполнен в виде пластины с отверстием, соосным отверстиям остальных пластин и электрически изолированной от них; в котором дополнительный электрод выполнен в виде стержня и изолирован относительно корпуса; в котором на корпусе перед выходным отверстием в пластине катода установлен вспомогательный электрод поджига разряда; в котором в корпусе на пути потока плазмообразующего вещества установлен геттер; в котором установлен омический нагреватель.

Размещение электрода внутри корпуса, в области повышенной концентрации плазмообразующего вещества, облегчает зажигание дополнительного разряда (снижает напряжение пробоя), и разряд зажигается на внутренних, т.е. рабочих поверхностях эмиттера, нагревая преимущественно их.

Сравнительный анализ признаков предлагаемого катодного узла и прототипа указывает на наличие новых существенных признаков, которые отсутствуют у прототипа и заключаются в том, что термоэмиссионный катод выполнен в виде пакета пластин с соосными отверстиями, установленных с зазором друг относительно друга при помощи, например, расположенных между ними дистанционирующих пластин с соосными отверстиями большего размера, при этом пластины образуют полости, с поверхностей которых осуществляется эмиссия электронов.

Такой катод обладает преимуществами по сравнению с трубчатым полостным катодом, например, в части экономии расхода плазмообразующего вещества на единицу снимаемого тока, более низкой рабочей температуры и связанного с ней ресурса. Преимуществом такого катода перед диафрагмированным является повышенный ресурс, т.к. при износе выходного отверстия в пластине (диафрагме) и падении в прилегающей полости давления разряд и эмиссия перемещаются в следующую полость.

Такое выполнение облегчает пробой за счет его заостренности и обеспечивает большое количество включений за счет значительной длины и массы электрода. Выполнение дополнительного электрода в виде пластины с отверстием, аналогичной пластинам эмиттера, улучшает прогрев пластин эмиттера дополнительным разрядом на развитых поверхностях, а также позволяет уменьшить габариты и вес катодного узла. Выполнение устройства с вспомогательным электродом поджига, установленным перед выходным отверстием эмиттера, способствует вытягиванию разряда из полости и облегчению зажигания основного разряда и снижению пускового износа катода. Размещение геттера на пути потока плазмообразующего вещества позволяет использовать развитую поверхность пластин эмиттера для эффективного нагрева геттера разрядом и повышения ресурса узла в целом. Размещение в катодном узле омического нагревателя в сочетании с прогревом дополнительным разрядом позволяет активировать эмиттер (при первом включении в работу), быстро вывести катод на рабочий режим, повышает надежность и снижает пусковой износ.

Все изложенное выше доказывает необходимость и существенность предложенных отличий, поскольку они способствуют достижению указанного технического результата. Это позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Анализ существующей научно-технической и патентной литературы выявил отсутствие заявленной совокупности существенных признаков, хотя по отдельности они присутствуют в разных конструкциях катодных узлов. Однако, именно в заявленном сочетании они способны обеспечить указанный технический результат. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию новизны.

Предложенный катодный узел предназначен для использования в различных областях плазменной техники, применяемой в народном хозяйстве, в частности, в электроракетных двигателях, в металлургии для плазменного переплава металлов, для вакуумной сварки и т.д. там, где используются электродуговые разряды низкого давления.

Для заявленного катодного узла, в том виде, как он охарактеризован в заявке, подтверждена возможность его осуществления с помощью представленных в заявке материалов. Ясно, какого рода знания и опыт использованы для осуществления изобретения.

Заявочные материалы содержат убедительные доказательства того, как с помощью предложенного катодного узла можно достичь указанного технического результата.

Перечисленные выше доводы указывают на соответствие предлагаемого изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан катодный узел в разрезе, на фиг.2 - фрагмент варианта узла с дополнительным электродом в виде пластины.

В корпусе 1 (фиг.1) помещен эмиттер, включающий пакет пластин 2 с отверстиями 3, образующими канал, сообщенный с подводом плазмообразующего вещества 4, разделенных дистанционирующими пластинами 5, с отверстиями 6, соосными отверстиям 3. Отверстия 6 и пластины 2 образуют полости, с поверхностей которых осуществляется эмиссия электронов, которые через отверстия 3 вытягиваются из катода в основной разряд. В корпусе 1 помещен дополнительный электрод 7, изолированный от корпуса изолятором 8. Внутри корпуса 1 может быть установлен геттер 9 в виде пористой структуры, размещенной на пути потока плазмообразующего вещества. На корпусе может быть размещен внешний вспомогательный пусковой электрод 10, изолированный от корпуса изолятором 11. Подвод тока к эмиттеру осуществляется с помощью токоподвода 12. В катодном узле может быть размещен омический нагреватель 13.

Действует катод следующим образом. В корпус 1 через подвод 4 подается плазмообразующее вещество - газ, которое, проходя через геттер 9, отверстия 3 и 6, образующие канал с полостями, вытекает наружу, в вакуум, поддерживает необходимую концентрацию среды в полостях эмиттера. На эмиттер с помощью токоподвода 12 и на дополнительный электрод 7, разделенные изолятором 8, подается разность потенциалов, достаточная для пробоя и зажигания тлеющего разряда, который разогревает рабочие поверхности эмиттера и образует плазму в полостях и канале эмиттера. Для облегчения вытягивания электронов из разряда разность потенциалов может быть подана между эмиттером (пластины 2 и 5) и отделенным изолятором 11 внешним вспомогательным электродом 10. При разности потенциалов между эмиттером катода и внешним анодом (на чертежах не показан) зажигается основной разряд, катодный процесс в котором обеспечивается эмиссией электронов с нагретых поверхностей пластин 2 и 5 в отверстиях 3 и 6, образующих канал с поперечными полостями, имеющими развитые рабочие поверхности. Омический нагреватель 13 при необходимости осуществляет предварительный прогрев катодного узла.

Такое выполнение катодного узла позволяет быстро и надежно подготовить катод к включению в работу, причем использовать тот набор признаков, который наиболее со ответствует условиям работы системы в целом. Кроме того, такое выполнение катодного узла открывает дополнительные возможности реализации эмиттера, обеспечивающие его ресурсные характеристики путем последовательного включения в работу следующих полостей при износе предыдущих, а также путем варьирования материалов пластин 2 и 5, образующих рабочие полости.

Изобретение относится к области сильноточных вакуумных электродуговых устройств. Катодный узел содержит корпус, в котором размещен полостной термоэмиссионный катод, полость которого сообщена с внешним источником плазмообразующего вещества, и дополнительный электрод, размещенный внутри корпуса и электрически изолированный от него. Термоэмиссионный катод выполняется в виде пакета пластин с соосными отверстиями, установленных с зазором друг относительно друга при помощи расположенных между ними дистанционирующих пластин с соосными отверстиями большего размера, при этом пластины образуют полости, с поверхностей которых осуществляется эмиссия электронов. Техническим результатом изобретения является снижение расхода рабочего вещества через катод и повышение ресурса катода вследствие снижения уноса материала катода из полости при его испарении, а также повышение надежности зажиганий разряда в полости. 5 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Катодный узел, содержащий корпус, в котором размещен полостной термоэмиссионный катод, полость которого сообщена с внешним источником плазмообразующего вещества, и дополнительный электрод, размещенный внутри корпуса и электрически изолированный от него, отличающийся тем, что термоэмиссионный катод выполнен в виде пакета пластин с соосными отверстиями, установленных с зазором друг относительно друга при помощи расположенных между ними дистанционирующих пластин с соосными отверстиями большего размера, при этом пластины образуют полости, с поверхностей которых осуществляется эмиссия электронов. 2. Катодный узел по п.1, отличающийся тем, что дополнительный электрод выполнен в виде пластины с отверстием, соосным отверстиям остальных пластин, и электрический изолированной от них. 3. Катодный узел по п.1, отличающийся тем, что дополнительный электрод выполнен в виде стержня и изолирован относительно корпуса. 4. Катодный узел по пп.1 - 3, отличающийся тем, что на корпусе перед выходным отверстием в пластине катода установлен вспомогательный электрод поджига разряда. 5. Катодный узел по пп.1 - 4, отличающийся тем, что в корпусе на пути потока плазмообразующего вещества установлен геттер. 6. Катодный узел по пп.1 - 5, отличающийся тем, что в нем установлен омический нагреватель.